【探索13】人類文明的基石--通訊

圖片來源|www.pexels.com
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講師|臺大電機系副教授 葉丙成
撰文|楊于葳

《墨子》雜守篇:「⋯望見寇,舉一峰; 入境,舉二峰;射妻,舉三峰;郭會,舉四峰二藍;城會,舉五峰五藍 ⋯」

早在商周時期,人們就已經發展出一套高速的光通訊系統,您猜想到了嗎?那就是我們耳熟能詳的典故——烽火戲諸侯裡使用的「烽火台」。《墨子》雜守篇記載道,邊境的士兵們一旦查探到敵意,就會以五種方式相互傳遞訊息,讓訊息可以快速地傳遞到城內,使城民產生緊戒心。但訊息傳遞的過程中,都不會出錯嗎?假若有士兵判讀錯誤讓訊息盡失原意,很可能會導致兵臨城下甚至是滅國的後果。

在過去,建立一套完善的通訊系統對一個國家來說建立十分重要,在現代亦是如此。日常生活中,我們常會使用到許多通訊器材,但往往將其運作的方式和結果視為理所當然。例如:使用提款機時,輸入之金錢數目等於取出的數目;使用手機通訊軟體(FB、LINE)時,輸入的文字會一字不漏的傳送到對方的手機裝置,諸如此類的例子不勝枚舉。通訊系統若要顯現出它的價值,「可靠度」是一項非常重要的指標,為讓通訊系統不出錯,我們把系統劃分成七種層次彼此間分工合作,分別為:應用層(Application Layer)、表現層(Presentation Layer)、會議層(Session Layer)、傳輸層(Transport Layer)、網路層(Network Layer)、資料鏈結層(Data Link Layer)、實體層(Physical Layer)。當基層的實體層(Physical Layer)出錯時,我們有什麼補救的方法,或者是該如何降低出錯的機率呢?

一、改變天線的設計:傳統天線與指向式天線
使用通訊系統接收訊息時,常會受到無線通訊和雜訊的干擾,為減少收訊干擾,指向式天線的設計因應而生。傳統天線發送及接收訊息的效果,好比下課時一群學生在教室內,同時間以喊話的方式朝四面八方傳遞訊息,那麼收訊的同學在接收訊息時就會受到許多干擾,無法聽清楚訊息的內容。指向式天線是利用波的加成原理增強訊號來源,好像同學間使用傳聲筒傳遞訊息,只要在特一方向加強音量,接收者同樣可以接收訊息,比喊話的方式更為清楚,雖然周圍的同學依然還是會聽到他人的傳話內容,但彼此受到的干擾也較小。

二、運用過區切換的機制:硬切換與軟切換
過區切換(Handover,Handoff)是指訊號由甲基地台切換到乙基地台的過程,切換的種類又分為硬切換與軟切換。硬切換(Hard Handover)是指將原先連接的訊號斷開後,再連接新的訊號源,而軟切換(Soft Handover)是指在斷開訊號源之前,先嘗試與其他區域的訊號源連接再斷開原有訊號源。運用生活中簡單的例子比喻,我們可以把硬切換想像成一位漢子,一次只教一個女朋友,再找下一個女朋友前,一定會和現任女友分手,而軟切換就比較不一樣,他比較花心,穩定交往的狀態下,依然會和下一位對象來往。

三、偵測與更正錯誤的通道編碼
假設今天我們從甲地傳遞三個位元的資料給乙地,接收者可以由接收到的訊息判別資訊是否正確嗎?答案是否定的,那麼該如何保障資料的可靠性呢?其實我們可以透過通道編碼(Channel Coding)在原先傳遞的訊息裡加入保護碼,即使訊息傳遞錯誤,我們依然能判別資料的正確信,並即時校正訊息。運用兩個家庭故事向各位解說箇中的巧妙。

某個奇怪的家庭,老爸將三兄弟命名為:葉丙成、葉丙戍、葉丙戊,三兄弟中葉丙戊的表現最為優秀,老大葉丙成與老二葉丙戍的學業成績卻令人堪憂,而且常常考零分的葉丙成與葉丙戍常常會寫錯名字,永遠都會忘記「成」和「戍」中間有一劃。當學校寄送成績單時,老爸總是收到葉丙戊零分的考卷,誤以為葉丙戊是最不用功的孩子,像這樣子的情況,收到訊息的老爸有辦法知道是誰考零分嗎?

一個優秀的家庭,名字應該這樣取:葉甲成、葉乙成、葉丙成,老么的表現依然是最優秀的,老爸完全不需要擔心葉丙成的學習狀況,但老大葉甲成與老二葉乙成課業學習狀況依舊不佳,名字又常常少寫一劃。當學校寄送成績單時,當老爸看到零分考卷上的名字寫著「葉田成」時,老爸有辦法判斷是誰考零分嗎?

●人類文明的基石
通訊的可靠性是人類文明的基石,生活中無時無刻都需要使用到通訊系統。例如:PaGamO是全世界第一個以教育為主的線上遊戲學習平台,我們可以使用此通訊系統有效地自我學習增進。通訊也是穩定金融貿易的棟樑,一旦金融貿易垮台,產生的後果將是我們無法想像的。除此之外,還可以將通訊運用在交通工具中,當飛機起飛與塔台進行聯絡時,機上的空服人員總會要求我們將通訊系統關閉,目的便是要減少通訊的干擾。明代為什麼會滅亡呢?某一部份的原因出自於驛站系統的崩壞,明代中期後驛站制度開始出現弊端,驛站人員常常向官員勒索行賄,而地方官吏也刪減驛站經費中飽私囊,導致系統在傳遞訊息時受阻,降低驛站的傳遞訊息的效能,所以說以通訊系統作為人類文明的基石,一點也不為過哦!

--本文整理自:104/4/25 由葉丙成老師在臺大應力所國際演講廳所主講之「手機,你怎麼都不會錯」演講內容>>現場全程影音

 

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